光電式帶材跑偏檢測系統(tǒng)

周雙喜, 童 朋, 肖雯雯, 尚 磊, 李春來

(1. 湖南理工學(xué)院 光電技術(shù)及應(yīng)用物理創(chuàng)新訓(xùn)練中心，湖南 岳陽 414006；2. 湖南理工學(xué)院 物理與電子學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

光電式帶材跑偏檢測系統(tǒng)

周雙喜1,2, 童 朋1,2, 肖雯雯1,2, 尚 磊1,2, 李春來1,2

(1. 湖南理工學(xué)院 光電技術(shù)及應(yīng)用物理創(chuàng)新訓(xùn)練中心，湖南 岳陽 414006；2. 湖南理工學(xué)院 物理與電子學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

為了準(zhǔn)確檢測出帶材的位置變量, 設(shè)計(jì)一種基于光電傳感器的帶材跑偏檢測系統(tǒng). 利用光電傳感器測量被測帶材的位置并以電壓信號形式輸出, 然后送入帶通濾波器電路、解調(diào)電路, 最后由鑒別電路判斷其輸出情況. 在帶材位置無偏差時, 系統(tǒng)不啟動報(bào)警電路, 在帶材位置有偏差時, 啟動報(bào)警電路通知異常. 本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通用性和實(shí)用性, 可應(yīng)用于印染、送紙、磁帶、膠片等生產(chǎn)過程.

光電傳感器; 位置變量; 跑偏檢測系統(tǒng); 報(bào)警電路

隨著先進(jìn)工業(yè)技術(shù)與理論的發(fā)展, 尤其是控制理論在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的不斷開發(fā)與應(yīng)用, 工業(yè)生產(chǎn)流水作業(yè)中許多工序都由智能機(jī)器自動完成, 從而解放出大量的勞動力, 使生產(chǎn)效率大幅度提高. 這就同時要求工業(yè)生產(chǎn)過程中機(jī)器控制準(zhǔn)確率提高, 自我檢測、調(diào)整、識別能力增強(qiáng)[1～5]. 例如, 在生產(chǎn)流水線作業(yè)中, 我們稱橫截面為矩形的材料稱為帶材, 為了準(zhǔn)確保證這些帶材能按合適的位置運(yùn)行并有序的安裝, 要求能精確測量并調(diào)整其在生產(chǎn)線上的位置, 以便能使其順利進(jìn)入下一道工序[6]. 因此本文設(shè)計(jì)一種基于光電傳感器的帶材跑偏檢測系統(tǒng), 以期能提高工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械控制能力.

本文設(shè)計(jì)一個基于光電傳感器的帶材跑偏檢測系統(tǒng). 首先利用光電傳感器檢測出被測帶材的精確位置, 并將位置變量以電壓信號形式輸出. 然后送入帶通濾波放大電路、解調(diào)電路, 并由鑒別電路識別其輸出情況, 在正常工作情況下即帶材位置無偏差時, 系統(tǒng)不啟動報(bào)警電路, 而在帶材位置有偏差時, 系統(tǒng)將啟動報(bào)警電路并通知異常情況發(fā)生.

本系統(tǒng)光源部分采用載波振幅調(diào)制方案, 調(diào)制檢測光信號可以減少自然光或雜散光對檢測結(jié)果的影響. 在檢測過程中很難避免外界非信號光輸入光電探測器, 如白天室內(nèi)的自然光及為消除室內(nèi)自然光而增加外罩時, 其內(nèi)側(cè)對光源的漫散而造成的雜散光等. 這些附加信號的共同特點(diǎn)是以直流量形式出現(xiàn), 光電探測器接收到這些光后, 將附加在信號上, 影響檢測結(jié)果. 采用光電檢測方法并且對光源進(jìn)行調(diào)制, 并在接收級實(shí)施交流耦合, 使交變的信號量通過, 隔除掉非信號的直流分量, 從而消除了非信號光對檢測結(jié)果的影響. 這樣便提高了系統(tǒng)對外界環(huán)境的抗干擾性. 另外, 本系統(tǒng)采用光學(xué)系統(tǒng)處理光源, 提高了檢測的精度. 本系統(tǒng)具用很強(qiáng)的通用性, 可以將其用于各種帶型材料生產(chǎn)當(dāng)中, 比如: 印染、造紙、膠片、磁帶、塑料薄膜的卷材生產(chǎn)等.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示.

由集成芯片MAX038及其外圍元器件構(gòu)成的電路產(chǎn)生中心頻率為50KHz的正弦信號對白熾燈進(jìn)行振幅調(diào)制, 經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)處理,利用光電三極管將由帶材位置變化引起的光通量變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栕兓? 再經(jīng)基于MAX275的帶通濾波放大電路、基于LM324的解調(diào)電路和基于LM393的鑒別電路進(jìn)行處理, 控制TTL型NE555的聲光報(bào)警電路, 告知用戶帶材跑偏情況.

采用對光源調(diào)制, 可以很好的去除環(huán)境光的干擾; 再經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的處理, 大大提高了對帶材位置檢測的精度. 由于光電傳感器產(chǎn)生的電信號較為微弱, 采用集成芯片MAX275可實(shí)現(xiàn)對該信號的帶通濾波放大, 報(bào)警電路采取聲、光兩方面報(bào)警, 更加人性化.

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 單元電路設(shè)計(jì)

2.1 光源模塊

光源模塊采用中心頻率為50KHz的正弦信號作為載波, 對光源進(jìn)行調(diào)幅調(diào)制. 調(diào)幅調(diào)制是使高頻載波的振幅受調(diào)制信號的控制, 使它依照調(diào)制頻率作周期性變化, 變化的幅度與調(diào)制信號的強(qiáng)度成線性關(guān)系, 但載波的頻率和相位則保持不變, 不受調(diào)制信號的影響, 高頻振蕩振幅的變化攜帶著信號所反映的信息[7].

本模塊采用由集成芯片MAX038及其外圍元器件構(gòu)成的電路產(chǎn)生中心頻率為50KHz的正弦信號. MAX038頻率范圍0.1Hz～40MHz, 能精密地產(chǎn)生三角波、矩形波、鋸齒波、正弦波等信號. 光源驅(qū)動電路原理圖如圖2所示.

圖2 光源驅(qū)動電路原理

圖3 光學(xué)系統(tǒng)模塊工作原理

該電路為簡單的正弦波發(fā)生電路, 可以產(chǎn)生失真度小的正弦波, 其振蕩頻率為根據(jù)本圖所給數(shù)據(jù), 振蕩頻率可計(jì)算為50KHz.

2.2 光學(xué)系統(tǒng)模塊

本模塊電路要完成的功能是: 對光源進(jìn)行處理, 更利于和帶材位置檢測結(jié)合起來, 提高測量精度.光學(xué)系統(tǒng)模塊工作原理圖如圖3所示.

光源1置放于凸透鏡2焦點(diǎn)處, 光通過凸透鏡后平行射出, 其中一部分光在分束鏡3處反射到平凸透鏡4, 一部分光反射到平面鏡5并原路返回, 另一部分光反射后經(jīng)角矩陣反射鏡6返回, 并經(jīng)過光學(xué)器件4、3、7到達(dá)光電三極管8, 光電三極管在光的照射后其發(fā)射極—集電極間電壓發(fā)生相應(yīng)變化.

當(dāng)帶材置于器件4與5、6之間時, 會遮擋住部分光, 使光電三極管接收到的光通量減少, 繼而關(guān)系到光電三極管輸出的電壓大小. 整個工作過程可表示為如下關(guān)系: Δx→ΔS→ΔI→u, 其中S表示透光面積,I表示光通量.

點(diǎn)光源經(jīng)凸透鏡2后以圓柱形平行射出,經(jīng)透鏡4后其投影為一圓形光斑. 帶材位置與光斑關(guān)系可由圖4表示. 若以光斑中心軸x=0為基準(zhǔn), 如圖4(a), 此時有一半的光照射到光電三極管, 表明帶材位置合適. 如圖4 (b), 當(dāng)帶材偏離中心軸向右時,x>0, 有一大半的光照射到光電三極管. 當(dāng)帶材偏離中心軸向左時,x<0, 只有一小部分光照射到光電三極管, 如圖4(c). 面積S由以下公式計(jì)算:

其中r表示光斑的半徑.

2.3 光電傳感器檢測模塊

光電傳感器檢測模塊的功能是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號. 這里采用NPN型硅光敏晶體管作為傳感器.硅光敏三極管檢測電路如圖5所示. 經(jīng)光敏三極管采集調(diào)制后的被測信號, 再經(jīng)電容C2耦合到下一級帶通濾波放大電路中.

2.4 帶通濾波放大模塊

采用基于MAX275的帶通濾波放大電路對硅光敏三極管采集的有用信號和噪聲信號進(jìn)行帶通濾波放大, 并且為下一級提供更高信噪比的輸入信號, 如圖6所示. 該電路包含了A, B兩個硬件上級聯(lián)的二階帶通濾波器, 分別構(gòu)成了增益為20dB, 中心頻率為50kHz.

圖4 帶材位置與光斑關(guān)系

圖5 硅光敏晶體管檢測電路

圖6 帶通濾波放大電路

2.5 解調(diào)模塊

解調(diào)是從已調(diào)制信號中恢復(fù)原始信號的過程, 即通常所說的信息檢測. 調(diào)幅信號的解調(diào)方法有兩種:包絡(luò)檢波和同步檢波. 包絡(luò)檢波是利用調(diào)幅信號的包絡(luò)反映了調(diào)制信號波形變化這一特點(diǎn), 如果能將包絡(luò)提取出來, 就可以恢復(fù)原來的調(diào)制信號. 同步檢波必須采用一個與發(fā)射端載波同頻同相(或固定相位差)的信號. 本設(shè)計(jì)采用的是包絡(luò)檢波, 電路中采用兩個普通運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成的一個精密線性整流電路, 如圖7所示.

2.6 鑒別模塊

鑒別模塊電路將基準(zhǔn)電壓、高于基準(zhǔn)電壓、低于基準(zhǔn)電壓三種情況轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩蛢煞N電平, 作為報(bào)警模塊的控制信號, 如圖8所示. 當(dāng)帶材位于圖4(a)的位置時為最合適的位置, 應(yīng)使輸出為高電平, 保證報(bào)警裝置不啟用; 當(dāng)帶材位于圖4(b)、(c)的位置時, 應(yīng)使輸出為低電平, 啟用報(bào)警裝置, 告知用戶帶材跑偏. 調(diào)節(jié)電阻R25、R24可以設(shè)置帶材向左、向右跑偏的范圍. 假設(shè)帶材位置正常所允許帶材偏移范圍為2.8～3.2V,此范圍以外均視為跑偏, 調(diào)節(jié)R25使其阻值為1.3K?, 則得下限電壓2.8V; 調(diào)節(jié)R24使其阻值為1.8K?, 則得上限電壓3.2V.

2.7 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊提供聲光兩種報(bào)警信號, 告知用戶帶材跑偏情況, 如圖9所示. 其中TTL型NE555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路,穩(wěn)態(tài)時間T=1.1R28C3. Ⅰ、Ⅲ構(gòu)成可產(chǎn)生音頻信號的超低頻多諧振蕩電路, 高電平響應(yīng)時間T=R35C5. 當(dāng)帶材處于適當(dāng)位置時, A點(diǎn)為高電平, 對后面電路不起觸發(fā)作用, 發(fā)光二極管不發(fā)光, 蜂鳴器不發(fā)聲. 當(dāng)帶材位置不正常時, A點(diǎn)為低電平, 觸發(fā)U5工作,UB=1,UC=1, 所以發(fā)光二極管發(fā)光, 三極管Q4導(dǎo)通, 蜂鳴器發(fā)聲.

2.8 電源部分

本光電式帶材跑偏檢測系統(tǒng)需要兩種電源, 分別為+5V、?5V, 先從外界獲取12V交流電源, 再經(jīng)橋式整流, 電容濾波, 然后經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM7805、LM7905及周圍元器件組成的電路為本系統(tǒng)提供+5V、?5V的直流電源. 電源部分的電路如圖10所示.

圖7 解調(diào)電路

圖8 鑒別模塊電路

圖9 報(bào)警電路

圖10 電源電路圖

3 系統(tǒng)測試

3.1 光源驅(qū)動電路測試

本模塊電路使用的電源是+5V、?5V, 首先用萬用表測集成芯片MAX038的17腳和20腳電壓是否是+5V、?5V, 再用示波器測MAX038的19腳的波形是否是頻率為50KHz的正弦信號, 及圖2中標(biāo)記測試點(diǎn)B的波形. 其中調(diào)整R1、C17的大小可以改變正弦信號的頻率. 因仿真軟件中無MAX038模型, 而該光源驅(qū)動電路已通過實(shí)際驗(yàn)證, 仿真采用中心頻率為50KHz, 幅度為2V的正弦信號代替. Multisim仿真測試結(jié)果如圖11所示.

圖11 標(biāo)記測試點(diǎn)A、B的仿真波形圖

圖12 檢測電路輸出端仿真波形圖

3.2 光電三極管檢測電路測試

用示波器測該模塊輸出端的波形是否與圖3中標(biāo)記測試點(diǎn)B的波形大體一致(只是把直流量耦合掉).仿真時采取光源發(fā)射部分與該檢測電路直接級聯(lián), 輸出端仿真波形如圖12所示.

3.3 解調(diào)電路測試

本電路是一個精密線性整流電路, 輸入輸出之間存在著良好的線性關(guān)系. 用示波器分別測該模塊輸入、輸出端的波形. 對比這兩個波形, 確定模塊是否實(shí)現(xiàn)線性整流功能. 采用頻率為50KHz, 幅度為2V的正弦信號作為輸入信號. 仿真波形如圖13所示.

圖13 解調(diào)電路輸入、輸出端仿真波形圖

3.4 鑒別電路測試

帶材位置設(shè)定以后即知該模塊的基準(zhǔn)電壓值, 當(dāng)輸入端口電壓高于或低于這一值均會使本模塊的輸出端口輸出低電平. 調(diào)節(jié)電阻R25、R24可以設(shè)置帶材向左、向右跑偏的范圍. 當(dāng)帶材位于設(shè)定位置范圍內(nèi),用萬用表測模塊輸入端口電壓值, 測輸出端口是否是高電平; 當(dāng)帶材跑偏, 用萬用表測模塊的輸入端口電壓值, 測輸出端口是否是低電平. 假設(shè)帶材位置正常所允許帶材偏移范圍為2.8～3.2V, 此范圍以外均視為跑偏, 調(diào)節(jié)R25使其阻值為1.3KΩ, 則得下限電壓2.8V; 調(diào)節(jié)R24使其阻值為1.8KΩ, 則得上限電壓3.2V.仿真測試結(jié)果如圖14所示.

圖14 鑒別模塊輸出端仿真波形圖

3.5 聲光報(bào)警電路測試

當(dāng)輸入端為高電平, 聲光報(bào)警裝置不啟用;當(dāng)輸入端為低電平, 啟用聲光報(bào)警裝置. 當(dāng)輸入端為低電平時, 標(biāo)記測試點(diǎn)C的仿真波形如圖15所示.

4 結(jié)論

為了準(zhǔn)確檢測出帶材的位置變量, 設(shè)計(jì)一種基于光電傳感器的帶材跑偏檢測系統(tǒng). 利用光電傳感器測量被測帶材的位置并轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出, 然后送入帶通濾波放大電路、解調(diào)電路, 并由鑒別電路判斷輸出情況. 當(dāng)帶材處于適當(dāng)位置時不啟動報(bào)警電路, 當(dāng)帶材偏離中心位置時, 系統(tǒng)將啟動報(bào)警電路通知異常. 本系統(tǒng)采用光電檢測方法并且對光源進(jìn)行調(diào)制, 具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn). 本系統(tǒng)采用硬件實(shí)現(xiàn)功能要求, 電路簡單, 易于控制, 且成本低.

圖15 標(biāo)記測試點(diǎn)C的仿真波形圖

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[7] 張肅文. 高頻電子線路[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004

Photoelectric Deviation Detection System

ZHOU Shuang-xi1,2, TONG Peng1,2, XIAO Wen-wen1,2, SHANG Lei1,2, LI Chun-lai1,2
(1. Innovation Training Center of Photoelectronic Technique and Applied Physics, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. College of Physics and Electronics, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

A kind of material deviation detection system is designed to measure strip location. The strip location variable is measured by using photoelectric sensor, and is turned into a voltage signal output, and then passes through the band-pass filter amplifier, demodulation circuit, judgment circuit. In normal circumstances the system does not start working alarm circuits, and it will activate the alarm circuit if error exists for the strip location. The system is practical since it can be used in the productive process of dyeing, paper, film and tape.

photoelectric sensor; location variable; deviation detection system; alarm circuit

TN215

A

1672-5298(2014)03-0054-06

2014-07-08

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(13C372)

周雙喜(1992? ), 女, 湖南郴州人, 湖南理工學(xué)院物理與電子學(xué)院本科生. 主要研究方向: 光電檢測

李春來(1976? ), 男, 湖南平江人, 博士, 湖南理工學(xué)院物理與電子學(xué)院副教授. 主要研究方向: 光電檢測